Node.js 设计模式笔记 —— 由 Promises 和 Async、Await 实现的异步模式

回调函数（Callbacks）是 Node.js 中异步编程的底层构件，但它们远远达不到对用户友好的程度。对于实现代码中最常见的串行控制流，一个未经训练的开发者很容易陷入到 callback hell 问题中。即便实现是正确的，该串行控制流也会显得不必要的复杂和脆弱。

为了获得更好的异步编程体验，第一个出现的就是 promise，一种保存了异步操作的状态和最终结果的对象。Promise 可以轻易地被串联起来，实现串行控制流，可以像其他任何对象一样自由地转移。Pormise 大大简化了异步代码，后来在此基础上又有了 async 和 await，能够令异步代码看起来就像是同步代码一样。

Promises

Promises 是 ECMAScript 2015 标准（ES6）的一部分，为传递异步结果提供了一种健壮的解决方案，替代原本的 CPS 样式的回调函数。Promise 能够令所有主要的异步控制流更加易读、简洁和健壮。

Promise 是一种用来代表异步操作的最终结果（或错误）的对象。在专业术语中，当异步操作未完成时，我们称 Promise 是 pending 的；当异步操作成功结束时，Promise 是 fulfilled 的；当异步操作因为错误终止时，Promise 是 rejected 的；当 Promise 或者是 fulfilled 或者是 rejected，则将其认定为 settled。

Promise 对象的 then() 方法可以获取成功执行后的结果或者终止时报出的错误：

promise.then(onFulfilled, onRejected)

其中 onFulfilled 是一个回调函数，最终会接收到 Promise 成功时的值；onRejected是另一个回调函数，最终会接收 Promise 异常终止时的值（如果有的话）。

基于回调函数的如下代码：

asyncOperation(arg, (err, result) => {
  if (err) {
    // handle the error
  }
  // do stuff with the result
})

Promise 实现上述同样的功能，则更加优雅、结构化：

asyncOperationPromise(arg)
  .then(result => {
    // do stuff with result
  }, err => {
    // handle the error
  })

asyncOperationPromise() 会返回一个 Promise，可以被用来获取最终结果的值或者失败的原因。但最为关键的属性是，then() 方法会同步地返回另一个 Promise。
更进一步地，如果 onFulfilled 或者 onRejected 函数返回一个值 x，那么 then() 方法返回的 Promise 会有以下行为：

• 若 x 是一个值，则 then() 返回的 Promise 使用 x 作为自身完成时的值
• 若 x 是一个 Promise 且成功完成，则 x 完成时返回的值作为 then() 返回的 Promise 完成时的值
• 若 x 是一个 Promise 且因为错误终止，则 x 终止的原因作为 then() 返回的 Promise 终止的原因

上述行为能够令我们将多个 promise 连接成链，轻松地将异步操作聚合在一起。如果我们没有指定一个 onFulfilled 或者 onRejected handler，Promise 完成时的值或者终止时的原因都会自动地传递给链条中的下一个 Promise。通过 Promise 链，任务的执行顺序突然变得很简单。

asyncOperationPromise(arg)
  .then(result1 => {
    // return another promise
    return asyncOperationPromise(arg2)
  })
  .then(result2 => {
    // return a value
    return 'done'
  })
  .then(undefined, err => {
    // any error in the chain is caught here
  })

promise API

Promise 构造函数（new Promise((resolve, reject) => {})）会创建一个新的 Promise 实例，其完成还是终止取决于作为参数传入的函数的行为。
作为参数传入的函数接收如下两个参数：

• resolve(obj)：resolve 是一个函数，在调用时为 Promise 提供完成时的值。当 obj 是值时，则 obj 本身作为 Promise 完成时的值；当 obj 是另一个 Promise 时，则 obj 完成时的值作为当前 Promise 完成时的值
• reject(err)：Promise 因为 err 终止

function delay(milliseconds) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    setTimeout(() => {
      resolve(new Date())
    }, milliseconds)
  })
}

console.log(`${new Date().getSeconds()}s\nDelaying...`)
delay(1000)
  .then(newDate => {
    console.log(`${newDate.getSeconds()}s`)
  })

Promise 最重要的静态方法：

• Promise.resolve(obj)：从另一个 Promise、thenable 对象或者值创建一个新的 Promise
• Promise.reject(err)：创建一个 Promise，该 Promise 会因为 err 终止
• Promise.all(iterable)：从一个可迭代对象创建 Promise，若该 iterable 中的每一项都提供了一个 fulfill 值，则 Promise 最终以包含这些值的列表作为 fulfill 值；若其中有任意一项 reject，则 Promise.all() 返回的 Promise 以第一个 reject 的 err 终止
• Promise.allSettled(iterable)：此方法会等待所有输入的 Promise 或者 fulfill 或者 reject，之后返回一个包含所有 fulfill 值和 reject 原因的列表
• Promise.race(iterable)：返回可迭代对象中第一个 fulfill 或 reject 的 Promise

Promise 关键的实例方法：

• promise.catch(onRejected)：实际上就是 promise.then(undefined, onRejected) 的语法糖
• promise.finally(onFinally)：允许我们设置一个 onFinally 回调函数，在 promise fulfill 或者 reject 时调用

顺序执行

顺序执行意味着，每次只执行一系列任务中的一个，完成后再依次执行后面的任务。这一系列任务的先后顺序必须是预先定义好的，因为一个任务的结果有可能影响后续任务的执行。

An example of sequential execution flow with three tasks

上述执行流程有着不同形式的变种：

• 顺序执行一系列已知的任务，不需要在它们之间传递数据
• 前一个任务的输出作为后一个任务的输入（chain、pipeline、waterfall）
• 迭代任务集合，同时在每个元素上一个接一个地运行异步任务

package.json：

{
  "name": "03-promises-web-spider-v2",
  "version": "1.0.0",
  "private": true,
  "type": "module",
  "scripts": {
    "test": "echo \"Error: no test specified\" && exit 1"
  },
  "dependencies": {
    "cheerio": "^1.0.0-rc.3",
    "mkdirp": "^0.5.1",
    "superagent": "^5.2.2",
    "slug": "^1.1.0"
  },
  "engines": {
    "node": ">=14"
  },
  "engineStrict": true
}

spider.js：

import {promises as fsPromises} from 'fs'
import {dirname} from 'path'
import superagent from 'superagent'
import mkdirp from 'mkdirp'
import {urlToFilename, getPageLinks} from './utils.js'
import {promisify} from 'util'

const mkdirpPromises = promisify(mkdirp)

function download(url, filename) {
  console.log(`Downloading ${url}`)
  let content
  return superagent.get(url)
    .then((res) => {
      content = res.text
      return mkdirpPromises(dirname(filename))
    })
    .then(() => fsPromises.writeFile(filename, content))
    .then(() => {
      console.log(`Downloaded and saved: ${url}`)
      return content
    })
}

function spiderLinks(currentUrl, content, nesting) {
  let promise = Promise.resolve()
  if (nesting === 0) {
    return promise
  }
  const links = getPageLinks(currentUrl, content)
  for (const link of links) {
    promise = promise.then(() => spider(link, nesting - 1))
  }

  return promise
}

export function spider(url, nesting) {
  const filename = urlToFilename(url)
  return fsPromises.readFile(filename, 'utf8')
    .catch((err) => {
      if (err.code !== 'ENOENT') {
        throw err
      }

      // The file doesn't exist, so let’s download it
      return download(url, filename)
    })
    .then(content => spiderLinks(url, content, nesting))
}

spider-cli.js：

import {spider} from './spider.js'

const url = process.argv[2]
const nesting = Number.parseInt(process.argv[3], 10) || 1

spider(url, nesting)
  .then(() => console.log('Download complete'))
  .catch(err => console.error(err))

utils.js：

import {join, extname} from 'path'
import {URL} from 'url'
import slug from 'slug'
import cheerio from 'cheerio'

function getLinkUrl(currentUrl, element) {
  const parsedLink = new URL(element.attribs.href || '', currentUrl)
  const currentParsedUrl = new URL(currentUrl)
  if (parsedLink.hostname !== currentParsedUrl.hostname ||
    !parsedLink.pathname) {
    return null
  }
  return parsedLink.toString()
}

export function urlToFilename(url) {
  const parsedUrl = new URL(url)
  const urlPath = parsedUrl.pathname.split('/')
    .filter(function (component) {
      return component !== ''
    })
    .map(function (component) {
      return slug(component, {remove: null})
    })
    .join('/')
  let filename = join(parsedUrl.hostname, urlPath)
  if (!extname(filename).match(/htm/)) {
    filename += '.html'
  }

  return filename
}

export function getPageLinks(currentUrl, body) {
  return Array.from(cheerio.load(body)('a'))
    .map(function (element) {
      return getLinkUrl(currentUrl, element)
    })
    .filter(Boolean)
}

node spider-cli.js http://www.baidu.com 2

其中的 spiderLinks() 函数通过循环动态地构建了一条 Promise 链：

• 先定义一个“空的” Promise 对象（resovle 到 undefined），这个空 Promise 只是作为链条的起点
• 在循环中，不断将 promise 变量更新为新的 Promise 对象（通过调用上一个 Promise 的 then() 方法得到）。这就是 Promise 的异步遍历模式

在 for 循环的最后，promise 变量会是最后一个 then() 方法返回的 Promise，因而只有当链条中的所有 Promise 都 resolve 时，promise 才会 resolve。

纵观所有代码，我们可以不需要像使用 callback 那样，强制地包含众多错误传递逻辑。因而大大减少了代码量和出错的机会。

并行执行

在某些情况下，一系列异步任务的执行顺序并不重要，我们需要的只是当所有的任务都完成后能收到通知。

An example of parallel execution with three tasks

虽然 Node.js 是单线程的，但得益于其 non-blocking nature，我们仍可以实现并发行为。

An example of how asynchronous tasks run in parallel

比如我们有一个 Main 函数需要执行两个异步任务：

• Main 函数首先触发异步任务 Task1 和 Task2 的执行。异步任务触发后，会将程序控制权立即交还给 Main 函数，再转交给 event loop
• 当 Task1 中的异步任务结束时，event loop 调用 Task1 的回调函数，将控制权交给 Task1。Task1 执行完成自身内部的同步指令，通知 Main 函数并返还控制权
• 当 Task2 中的异步任务结束时，event loop 调用 Task2 的回调函数，将控制权交给 Task2。在 Task2 的终点，Main 函数再次被通知。Main 函数得知 Task1 和 Task2 全部结束，继续执行或者返回结果

简单来说，在 Node.js 中，我们只能并发地执行异步操作，因为它们的并发行为是由内部的非阻塞 API 控制的。同步（阻塞）操作无法并发地执行，除非它们的执行与异步操作交织在一起，或者由 setTimeout()、setImmediate() 包裹。

Promise 实现并发执行流，可以借助内置的 Promise.all() 方法。该方法会返回一个新的 Promise，只有当所有传入的 Promise 都 fulfill 时，新 Promise 才会 fulfill。如果传入的 Promise 之间没有因果关系，这些 Promise 就会并发地执行。

对于前面的 spider 应用，只需要将 spiderLinks() 函数改为如下形式：

function spiderLinks(currentUrl, content, nesting) {
  if (nesting === 0) {
    return Promise.resolve()
  }
  const links = getPageLinks(currentUrl, content)
  const promises = links.map(link => spider(link, nesting - 1))
  return Promise.all(promises)
}

Async/await

Promise 链相对于 callback hell 来说肯定是要好太多的，但是我们仍然需要调用 then() 方法，以及为链条中的每一个任务创建新的函数，对于日常编程中非常普遍的控制流来说还是比较麻烦。而 Async/await 可以帮助我们写出像同步代码一样可读性强、容易理解的异步代码。
Async 函数是一种特殊的函数，在函数体里面可以使用 await 表达式“暂停”任意一个 Promise 的执行，将控制权交还给 async 函数的调用者，等该 Promise revolve 后再返回到暂停的地方继续执行。

function delay(milliseconds) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    setTimeout(() => {
      resolve(new Date())
    }, milliseconds)
  })
}

async function playingWithDelays() {
  console.log('Initial date: ', new Date())
  const dateAfterOneSecond = await delay(1000)
  console.log('Date after one second: ', dateAfterOneSecond)

  const dateAfterThreeSeconds = await delay(3000)
  console.log('Date after 3 secnods: ', dateAfterThreeSeconds)
  return 'done'
}

playingWithDelays()
  .then(result => {
    console.log(`After 4 seconds: ${result}`)
  })

错误处理

Async/await 的另一个巨大的优势在于，它能够标准化 try...catch 代码块的行为，不管是针对同步代码中的 throw，抑或是异步代码中的 Promise reject。

function delayError(milliseconds) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    setTimeout(() => {
      reject(new Error(`Error after ${milliseconds}ms`))
    })
  })
}

async function playingWithErrors(throwSyncError) {
  try {
    if (throwSyncError) {
      throw new Error('This is a synchronous error')
    }
    await delayError(1000)
  } catch (err) {
    console.log(`We have an error: ${err.message}`)
  } finally {
    console.log('Done')
  }
}

// playingWithErrors(true)
playingWithErrors(false)

串行执行

借助 Async/await，可以对之前的 spider 应用实现很多优化。比如 download() 函数：

async function download(url, filename) {
  console.log(`Downloading ${url}`)
  const {text: content} = await superagent.get(url)
  await mkdirpPromises(dirname(filename))
  await fsPromises.writeFile(filename, content)
  console.log(`Downloaded and saved: ${url}`)
  return content
}

整段代码行数大大减少，看起来也很“平整”，没有任何层级和缩进。

接下来是 spiderLinks() 函数，使用 async/await 异步地遍历一个列表：

async function spiderLinks(currentUrl, content, nesting) {
  if (nesting === 0) {
    return
  }
  const links = getPageLinks(currentUrl, content)
  for (const link of links) {
    await spider(link, nesting - 1)
  }
}

然后是 spider() 函数，如何简单地通过 try...catch 处理错误，令异步代码更加易读：

export async function spider(url, nesting) {
  const filename = urlToFilename(url)
  let content
  try {
    content = await fsPromises.readFile(filename, 'utf8')
  } catch (err) {
    if (err.code !== 'ENOENT') {
      throw err
    }
    content = await download(url, filename)
  }
  return spiderLinks(url, content, nesting)
}

并行执行

使用纯 async/await 实现并行的异步执行流程，可以参考如下代码：

async function spiderLinks(currentUrl, content, nesting) {
  if (nesting === 0) {
    return
  }
  const links = getPageLinks(currentUrl, content)
  const promises = links.map(link => spider(link, nesting - 1))
  for (const promise of promises) {
    await promise
  }
}

然而上述代码存在一定的问题。如果列表中有一个 Promise reject 了，我们不得不等待列表中其他所有的 Promise 都 resolve，spiderLinks() 函数返回的 Promise 才会 reject。这种行为在多数情况下都是不理想的。
我们通常都会想要在操作发生错误的第一时间捕获错误信息。因而并行执行异步操作，最后仍建议使用下面形式的代码：

async function spiderLinks(currentUrl, content, nesting) {
  if (nesting === 0) {
    return
  }
  const links = getPageLinks(currentUrl, content)
  const promises = links.map(link => spider(link, nesting - 1))
  return Promise.all(promises)
}

参考资料

Node.js Design Patterns: Design and implement production-grade Node.js applications using proven patterns and techniques, 3rd Edition